響應(yīng)面設(shè)計(jì)對(duì)牛蒡無糖保健飲料口味的優(yōu)化

朱丹實(shí)，梁潔玉，李 慧，曹雪慧，趙麗紅，馮敘橋

(渤海大學(xué)食品科學(xué)研究院，渤海大學(xué)化學(xué)化工與食品安全學(xué)院，遼寧省食品安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧錦州121013)

牛蒡又稱蒡翁菜，為菊科兩年生草本植物，原產(chǎn)于北歐、西伯利亞和中國東北地區(qū)及河北、江蘇、浙江、山東等省。牛蒡的根肉質(zhì)肥大，所含粗纖維是地下根莖類蔬菜中最高的，可供藥食兩用，它味甘、性寒、祛風(fēng)、清熱。對(duì)牛蒡營養(yǎng)成分和活性成分的研究表明，牛蒡中氨基酸含量高達(dá)28.71%，富含七種必需氨基酸，還含有具有特殊藥理作用的天門冬氨酸和精氨酸等;無機(jī)元素 Ca、Fe、Mg、Zn、Cu 和維生素B1、B2均比山藥和蓮藕含量高，VC含量高于山藥低于蓮藕;黃酮含量達(dá)到 6.59%［1－2］。牛蒡具有多種生理活性，主要的藥理作用為降血糖［3］、抗病毒［4］、抗腫瘤活性［5］、鎮(zhèn)咳［2］及護(hù)肝作用［6］，牛蒡多糖還具有調(diào)節(jié)機(jī)體免疫功能［7－9］。近期國內(nèi)外很多學(xué)者的研究都證實(shí)了牛蒡具有抗氧化活性［10－13］，對(duì)清除體內(nèi)的超氧陰離子和活性氧具有重要作用。而且許多研究證實(shí)了牛蒡根具有良好的降血脂和減肥作用［14－15］。近年來國內(nèi)已開發(fā)出一系列牛蒡產(chǎn)品，如牛蒡茶、牛蒡絲、速溶牛蒡沖劑、牛蒡蒜茸醬、牛蒡粥、速凍牛蒡、牛蒡微粉、類咖啡風(fēng)味的牛蒡咀嚼片等［16－19］，并且逐步開始推向國內(nèi)外市場(chǎng)。鑒于牛蒡豐富的營養(yǎng)及藥用價(jià)值，適合針對(duì)特殊人群開發(fā)出方便快捷的即食保健食品。飲料作為一種方便食品，隨時(shí)補(bǔ)充人體所需的水分及部分營養(yǎng)，廣受青睞，隨著人們生活水平和健康意識(shí)的提高，對(duì)飲料要求也逐漸由實(shí)用型向營養(yǎng)保健型轉(zhuǎn)變。開發(fā)牛蒡無糖保健飲料，可以滿足肥胖者、糖尿病人等特殊人群的要求，提供牛蒡降血糖、降血脂等多種保健功能。因此本文采用響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)對(duì)牛蒡無糖飲料的配方進(jìn)行了優(yōu)化，初步研究了牛蒡飲料的加工工藝和產(chǎn)品指標(biāo)，以期為工業(yè)化生產(chǎn)牛蒡無糖飲料提供借鑒。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

牛蒡(Arctium tomentosum Mill.) 市售;VC、甜蜜素、檸檬香精、檸檬酸 均為食品級(jí)。

NDJ－79型旋轉(zhuǎn)粘度計(jì) 上海昌吉地質(zhì)儀器有限公司;DZF－6020型真空干燥箱 上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司;BCM－1000A型生物潔凈工作臺(tái) 蘇州凈化過濾設(shè)備有限公司;FJ－200型高速分散均質(zhì)機(jī) 上海標(biāo)本模型廠制造;JJ－2(2003－61)型組織搗碎勻漿機(jī) 常州國華電器有限公司制造;TD5A－WS型臺(tái)式低速離心機(jī) 湘儀離心機(jī)廠制造;303－6A型數(shù)顯電熱保溫箱 上海陽光實(shí)驗(yàn)儀器有限公司制造;WAY(2WAJ)阿貝折射儀 上海申光儀器有限公司;電熱恒溫水浴鍋 天津市泰斯特有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 工藝流程 牛蒡→揀選→清洗→去皮→切塊→預(yù)煮→護(hù)色→打漿→過濾→調(diào)配→均質(zhì)→脫氣→灌裝封口→殺菌→冷卻→檢驗(yàn)→成品

1.2.2 操作要點(diǎn) 原料選擇:選擇二年生開花前的根莖，莖肉飽滿、無蟲蛀、蟲斑、無霉?fàn)€變質(zhì)新鮮牛蒡，應(yīng)以須根少、表皮無變色者，尤其以整根粗細(xì)度大約一致者為佳;清洗及切片:用高壓水沖洗凈牛蒡表面的泥沙污物，然后在水中用不透鋼刀削去表皮，以防變色，用不透鋼刀切為1.0～2.0mm均勻薄片，以利于粉碎磨漿，切片后需用清水浸泡，防止酶促褐變;漂燙:把切好塊的牛蒡放入沸水中，熱燙10min后，迅速冷卻;護(hù)色:將預(yù)煮后的牛蒡片用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%的VC水溶液浸泡3～5min;打漿:把熱燙好的牛蒡送入到組織搗碎機(jī)中搗碎10min，即得牛蒡汁;過濾:使用100目的濾布將搗碎的牛蒡汁液過濾;混合調(diào)配:按配方用量和生產(chǎn)量計(jì)算并稱取所需檸檬酸、檸檬香精、甜蜜素、等各種輔料和牛蒡汁一起攪拌均勻;均質(zhì)、脫氣:將調(diào)配好的混合液預(yù)熱至50～60℃，用高壓均質(zhì)機(jī)均質(zhì)，均質(zhì)時(shí)壓力19～20MPa左右，使組織更均勻。由于上述操作中料液與外界大量接觸，使一定量的空氣混入到料液中，它的存在可以導(dǎo)致飲料氧化變質(zhì)，使VC和香氣損失，所以在均質(zhì)后料液應(yīng)在40～50℃，真空度為0.06～0.08MPa下脫氣;灌裝、殺菌、冷卻:脫氣后的半成品汁液倒入已殺菌的玻璃瓶中封口，然后采用常壓殺菌方式殺菌，殺菌完畢迅速投入流動(dòng)水中冷卻或噴淋冷卻，使溫度盡快降至40℃以下，冷卻至室溫。

1.2.3 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.3.1 口味配方的初步研究 為使牛蒡飲料具有良好的風(fēng)味，添加適量甜蜜素作為甜味劑，甜蜜素是一種新型食品甜味劑，單獨(dú)使用甜度是蔗糖的40倍而沒有苦味，根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)［20］規(guī)定甜蜜素在飲料中的最大添加量為0.65g/kg，因此在此范圍內(nèi)進(jìn)行單因素實(shí)驗(yàn)研究。檸檬酸是基本的配料之一，其主要作用是調(diào)節(jié)飲料的酸甜比;由于牛蒡提取液中有一定的土腥味，因此需要加入一定的檸檬香精，可用來掩蔽使其風(fēng)味較好。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，檸檬酸可按生產(chǎn)需要適量使用［20］，檸檬香精也沒有具體規(guī)定限量，因此二者根據(jù)經(jīng)驗(yàn)在添加量為1.0%內(nèi)進(jìn)行單因素實(shí)驗(yàn)。

1.2.3.2 數(shù)據(jù)分析 利用Design－Expert 8.0.6進(jìn)行響應(yīng)面優(yōu)化設(shè)計(jì)及方差分析。根據(jù)Box－Benhnken實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原理，設(shè)計(jì)4因素3水平的響應(yīng)面分析實(shí)驗(yàn)，因素水平編碼如表1所示。

1.2.4 分析及檢測(cè)方法

1.2.4.1 可溶性固形物 采用阿貝折射儀測(cè)定。

1.2.4.2 總酸 以滴定酸計(jì)［21］。

1.2.4.3 粘度 采用旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)測(cè)定，本實(shí)驗(yàn)采用×0.1的轉(zhuǎn)子。

表1 Box－Behnken設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)因素水平及編碼Table 1 Box－Behnken design test factors，levels and coding

1.2.4.4 VC采用 2、6－二氯靛酚鈉滴定法［21］。

1.2.4.5 牛蒡飲料的感官指標(biāo) 以飲料產(chǎn)品的色澤、風(fēng)味、組織狀態(tài)及食品感官評(píng)定理論為基礎(chǔ)［22］，確定牛蒡無糖飲料的感官評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，見表2。為使實(shí)驗(yàn)結(jié)果更準(zhǔn)確，特邀請(qǐng)專家、老師和學(xué)生三個(gè)不同層次20人對(duì)本產(chǎn)品進(jìn)行品評(píng)打分。

表2 牛蒡無糖飲料的感官評(píng)價(jià)表Table 2 Sensory evaluation standards for sugar－free burdock beverage

1.2.4.6 菌落總數(shù)及大腸菌群數(shù)的測(cè)定 采用食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)菌落總數(shù)測(cè)定［23］以及大腸菌群計(jì)數(shù)［24］的方法測(cè)定。

2 結(jié)果與討論

2.1 牛蒡無糖保健飲料口味配方的初步研究

牛蒡飲料的風(fēng)味與牛蒡的料液比、甜蜜素添加量、檸檬香精添加量和檸檬酸添加量之間的配比有密切的關(guān)系，只有合理的配方和調(diào)配工藝才能使牛蒡飲料有良好的風(fēng)味。通過單因素實(shí)驗(yàn)，初步考察了各成分的添加對(duì)牛蒡飲料感官口味的影響。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)添加甜蜜素為0.5‰，檸檬酸為0.4%時(shí)考察牛蒡汁的添加量對(duì)口感的影響，其結(jié)果見圖1。從圖1中可以看出，隨著牛蒡汁添加量的增加，感官評(píng)分呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，牛蒡汁的添加量在20%左右感官評(píng)價(jià)分值較高。圖2為牛蒡汁含量為20%，檸檬酸0.4%，檸檬香精0.4%時(shí)的甜蜜素添加量的單因素實(shí)驗(yàn)。從圖2中可以看出，甜蜜素的添加量在0.2‰時(shí)感官得分最高，因此初步確定甜蜜素的添加量為0.2‰。圖3為牛蒡汁含量為20%，甜蜜素添加量為0.2‰時(shí)檸檬香精和檸檬酸的單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果，從圖中可以看出，檸檬酸的添加量在0.2%～0.6%的范圍內(nèi)感官評(píng)分值較高，檸檬香精的添加量在0.3%～0.6%之間感官評(píng)分都較高。

圖1 牛蒡汁的添加對(duì)飲料口味的影響Fig.1 The effect of burdock juice on taste of drink

圖2 甜蜜素的添加對(duì)飲料口味的影響Fig.2 The effect of sodium cyclamate on taste of burdock drink

圖3 檸檬酸及檸檬香精的添加對(duì)飲料口味的影響Fig.3 The effect of citric acid and flavoring lemon essence on taste of burdock drink

2.2 牛蒡無糖保健飲料風(fēng)味的響應(yīng)面分析

選擇牛蒡汁、甜蜜素、檸檬酸和檸檬香精［21］4個(gè)因素，各取3個(gè)水平，在單因素實(shí)驗(yàn)初步確立的較佳的口感范圍內(nèi)進(jìn)行響應(yīng)面優(yōu)化研究。根據(jù)感官評(píng)價(jià)的色澤、風(fēng)味、組織狀態(tài)進(jìn)行綜合評(píng)分，然后對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析，從而確定最優(yōu)方案。響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果如表3所示。

2.3 牛蒡飲料回歸模型的顯著性檢驗(yàn)和方差分析

采用Design－Expert 8.0.6數(shù)據(jù)分析軟件對(duì)表3中的響應(yīng)值與各因素進(jìn)行回歸擬合，得到感官評(píng)分Y對(duì)各成分編碼值的完整二次多項(xiàng)回歸方程:

Y=89.26－8.00X1+5.16X2－1.68X3+2.67X4－0.25X1X2+0.70X1X3+0.85X1X4－1.51X2X3－7.03X2X4－5.38X3X4－4.30X12－5.03X22－1.39X32－0.65X42

表3 牛蒡飲料配方的響應(yīng)面設(shè)計(jì)Table 3 Design and results of response surface experiment of burdock drink

牛蒡飲料口感調(diào)配的回歸模型分析結(jié)果見表4。由表4可知，模型p=0.00013＜0.01，表明回歸模型極顯著;失擬p=0.7142＞0.05，表明失擬不顯著，模型合適，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)有意義;決定系數(shù)R2=0.9435，表明該回歸方程擬合較好，可以利用該模型來確定牛蒡無糖飲料的口味配方?；貧w方程系數(shù)的顯著性分析結(jié)果表明，X1和X2的一次項(xiàng)回歸系數(shù)達(dá)到極顯著水平，即牛蒡汁含量和甜蜜素添加量對(duì)牛蒡無糖飲料的口味為主的感官評(píng)價(jià)有顯著性影響;X1和X2的二次項(xiàng)回歸系數(shù)達(dá)到顯著水平;X2和X4交互項(xiàng)回歸系數(shù)以及X3和X4交互項(xiàng)回歸系數(shù)都顯著，表明檸檬酸的添加量與甜蜜素的添加以及檸檬香精的添加都有一定的交互作用;而其他項(xiàng)之間的影響不顯著。

2.4 牛蒡無糖飲料的響應(yīng)面分析與最佳配方

圖4為牛蒡汁的添加量和甜蜜素的相互作用對(duì)牛蒡無糖飲料感官影響的響應(yīng)面圖。圖5為甜蜜素和檸檬酸的交互作用對(duì)牛蒡無糖飲料感官評(píng)價(jià)影響的響應(yīng)面圖。從圖4中可知，隨著牛蒡汁含量的增加，感官評(píng)價(jià)分值總體呈現(xiàn)下降趨勢(shì);而隨著甜蜜素添加量的增加，感官評(píng)價(jià)分值總體呈升高趨勢(shì)。從圖5中可以看出，隨著甜蜜素和檸檬酸添加量的增高，感官評(píng)價(jià)分值都呈現(xiàn)增高趨勢(shì)，但是在高濃度下二者的交互作用較大。

表5 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 5 Results of verifying test

圖4 牛蒡汁的含量及甜蜜素的添加量對(duì)感官評(píng)價(jià)的影響Fig.4 Effect of burdock－juice and sodium cyclamate on sensory evaluation of drink

利用Design－Expert 8.0.6軟件分析得到牛蒡無糖飲料的口味調(diào)配的最佳配比為:牛蒡汁的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15.25%，甜蜜素添加的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.32‰，檸檬香精添加的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.32%，檸檬酸的添加量為0.42%，此時(shí)感官評(píng)價(jià)值可達(dá)到95.31。

2.5 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

圖5 牛蒡飲料甜蜜素和檸檬酸的添加量對(duì)感官評(píng)價(jià)的影響Fig.5 Effect of sodium cyclamate and citric acid on sensory evaluation of burdock drink

根據(jù)根據(jù)Box－Benhnken實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和響應(yīng)面分析法得出的結(jié)論，即牛蒡汁的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15.25%，甜蜜素添加的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.32‰，檸檬香精添加的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.32%，檸檬酸的添加量為0.42%時(shí)配制飲料，并請(qǐng)十人對(duì)飲料重新進(jìn)行感官評(píng)價(jià)，感官評(píng)分的得分情況見表5。從感官評(píng)價(jià)的得分情況可以看出，飲料的優(yōu)化配方得分較高，從而驗(yàn)證了 Box－Benhnken實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和響應(yīng)面分析法得出的結(jié)論。

2.6 牛蒡無糖保健飲料的指標(biāo)

感官指標(biāo):有新鮮牛蒡飲料的乳白色;具有宜人牛蒡風(fēng)味，無甜膩感，酸甜適口;均勻穩(wěn)定，細(xì)膩，無分層、沉淀現(xiàn)象。

理化指標(biāo):總酸(滴定酸)0.5%;動(dòng)力粘度2.3(mpa.s);VC3.77%;可溶性固形物含量≥4.0%。

微生物指標(biāo):細(xì)菌總數(shù)≤100cfu/mL;大腸菌群≤3cfu/100mL。

3 結(jié)論

牛蒡無糖保健飲料加工時(shí)用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%的VC水溶液浸泡15分鐘進(jìn)行護(hù)色。產(chǎn)品以甜蜜素為甜味料，可使飲料產(chǎn)生類似蜂蜜的滋味，加檸檬酸后甜酸適口而柔和，使整體風(fēng)味更為豐富，通過實(shí)驗(yàn)確定較佳的口味配比為:牛蒡汁15.25%，甜蜜素0.32‰，檸檬香精0.32%，檸檬酸0.42%。制得的牛蒡飲料具有牛蒡的特殊香氣，味感柔和，酸甜適口，乳白色，均勻一致無沉淀。飲料以牛蒡?yàn)樵希缓欠?，具有降糖、降血脂、抗氧化等功能性質(zhì)，特別適合糖尿病人、肥胖患者食用，而且符合大眾回歸自然、追求綠色的消費(fèi)心理。該產(chǎn)品市場(chǎng)前景廣闊，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)還能產(chǎn)生良好的社會(huì)效益和生態(tài)效益。

［1］時(shí)新剛，張紅俠，李賽鈺，等.牛蒡營養(yǎng)成分分析與評(píng)價(jià)［J］.食品與藥品，2007，9(12):39－40.

［2］胡喜蘭，王衛(wèi)國，高英.牛蒡根中活性成分研究［J］.食品科學(xué)，2007，28(11):113－115.

［3］Wang Bejen，Lian Tufa，Chen Chioulien，et al.Effects of burdock on blood sugar，plasma lipid and uric acid of rats［J］.Taiwanese Journal of Agricultural Chemistry and Food Science，2000，38(2):181－183.

［4］Pereirajv，Bergamodc，Pereirajo.Antimicrobial activity of Arctium lappaconstituents against microorganisms commonly found in endodontic infections［J］.Braz Dent J，2005，16(3):192－196.

［5］Ishiharak，Yamagishin，Saitoy.Arctigenin from Fructus Arctiiis a novel suppressor of heat shock response in mammalian cells［J］.Cell Stress Chaperones，2006，11(2):154－161.

［6］Lin S C，Lin C H，Lin C C，et al.Hepatoprotective effects of Arctium lappaLinne on liver injuries induced by chronic ethanol consumption and potentiated by carbon tetrachloride［J］.J Biomed Sci，2002，9(5):401－409.

［7］王磊，馬利華，秦衛(wèi)東，等.響應(yīng)面法優(yōu)化牛蒡水解制備果糖工藝的研究［J］.食品工程，2010(10):138－142.

［8］羅巔輝.均勻設(shè)計(jì)法優(yōu)化超聲波提取牛蒡多糖工藝的研究［J］.河南師范大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，36:115－117.

［9］Kardosovaa，Ebringerovaa，Alfoldij.A biologically active fructan from the roots of Arctium lappaL.var.Herkules［J］.Int J Biol Macromol，2003，33(1):135－140.

［10］Ferracane R，Graziani C，Gallo M，et al.Metabolic profile of the bioactive compounds of burdock(Arctium lappa)seeds，roots and leaves［J］.Journal of Pharmaceutical and Biomedical Analysis，2010，51(2):399－404.

［11］魏東.牛蒡抗氧化、降血脂保健功能研究［J］.食品科學(xué)，2008，29(2):380－382.

［12］林鵬程，胡樹青.牛蒡抗氧化作用的研究［J］.青海師專學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2001(6):34－36.

［13］Pin－Der Duh.Antioxidant activity of burdock(Arctium lappa Linne):its scavenging effect on free－radical and active oxygen［J］.Journal of the American Oil Chemists＇Society 1998，75(4):455－461.

［14］Daih－Huang Kuo，Ming－ Chi Hung，Chao－Ming Hung，et al.Body weight management effect of burdock(Arctium lappa L.)root is associated with the activation of AMP－activated protein kinase in human HepG2 cells［J］.Food Chemistry，2012，134(3):1320－1326.

［15］于垚，康廷國，王冰，等.牛蒡根粉減肥、降血脂功效實(shí)驗(yàn)研究［J］.山西中醫(yī)學(xué)院報(bào)，2008，9(2):24－25.

［16］劉杰，朱華筠，龔珊.類咖啡風(fēng)味的牛蒡咀嚼片的研制［J］.食品科學(xué)，2005，26(5):279－282.

［17］宮元娟，張本華，李成華.牛蒡微粉加工工藝參數(shù)實(shí)驗(yàn)研究［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2007，23(9):256－259.

［18］胡傳銀，劉雪莉，孫連云.速凍牛蒡加工新工藝［J］.徐州工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2007，22(10):55－60.

［19］孟秀梅，劉昌衡，王希敏，等.牛蒡在食品工業(yè)中加工利用現(xiàn)狀［J］.食品與機(jī)械，2006，22(4):109－111.

［20］中華人民共和國衛(wèi)生部.GB 2760－2011食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品添加劑使用標(biāo)準(zhǔn)［S］.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2011.

［21］曹建康，姜微波，趙玉梅.果蔬采后生理生化實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)［M］.北京:中國輕工業(yè)出版社，2007.

［22］魏東.無花果、牛蒡乳酸菌發(fā)酵飲料的研制［J］.食品研究與開發(fā)，2006，27(8):94－97.

［23］中華人民共和國衛(wèi)生部.GB 4789.2－2010食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品微生物學(xué)檢驗(yàn) 菌落總數(shù)測(cè)定［S］.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2010.

［24］中華人民共和國衛(wèi)生部.GB 4789.3－2010食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品微生物學(xué)檢驗(yàn) 大腸菌群計(jì)數(shù)［S］.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2010.